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公開番号2021055647
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210408
出願番号2019181198
出願日20191001
発明の名称圧縮機
出願人株式会社日立産機システム
代理人青稜特許業務法人
主分類F04B 39/00 20060101AFI20210312BHJP(液体用容積形機械;液体または圧縮性流体用ポンプ)
要約【課題】
揺動角の増加にともなうシールリングの変形や破損、シール性能悪化を防止することにある。
【解決手段】
圧縮機は、シリンダ内を往復動するピストンと、記シリンダの端部を閉鎖するバルブプレートと、ピストンを支持するコンロッドと、コンロッドの端部に回転力を与えるクランクシャフトと、クランクシャフトを回転可能に支持するクランクケースを有し、ピストンは、クランクシャフトの回転に応じてシリンダ内を揺動しながら往復動する揺動ピストンであって、ピストンの外周面は、シリンダの直径より小さい直径の球面である。
【選択図】 図4
特許請求の範囲【請求項1】
シリンダ内を往復動するピストンと、
前記シリンダの端部を閉鎖するバルブプレートと、
前記ピストンを支持するコンロッドと、
前記コンロッドの端部に回転力を与えるクランクシャフトと、
前記クランクシャフトを回転可能に支持するクランクケースを有し、
前記ピストンは、
前記クランクシャフトの回転に応じて前記シリンダ内を揺動しながら往復動する揺動ピストンであって、
前記ピストンの外周面は、曲面であることを特徴とする圧縮機。
続きを表示(約 1,500 文字)【請求項2】
請求項1に記載の圧縮機において、
前記ピストンは、
往復動時にその外周面が前記シリンダの内周面に接触し、摺動することを特徴とする圧縮機。
【請求項3】
請求項1に記載の圧縮機において、
前記ピストンは、
前記コンロッドに対して固定あるいは一体化されることを特徴とする圧縮機。
【請求項4】
請求項1に記載の圧縮機において、
前記ピストンは、
前記外周面が前記シリンダの内周面と接触する箇所は、耐摩耗性を有する樹脂で構成されていることを特徴とする圧縮機。
【請求項5】
請求項4に記載の圧縮機において、
前記樹脂の熱膨張率は、
前記ピストンが上死点にある状態にて、往復動方向よりもその直角方向において小さいことを特徴とする圧縮機。
【請求項6】
請求項1に記載の圧縮機において、
前記ピストンの外周球面の直径は、
前記ピストンが上死点にある状態にて、往復動方向よりもその直角方向において大きいことを特徴とする圧縮機。
【請求項7】
請求項4に記載の圧縮機において、
前記樹脂は、
PTFE、PPS、PES、フェノール樹脂、ポリイミド系樹脂、またはコプナ樹脂、あるいはそれらの混合であることを特徴とする圧縮機。
【請求項8】
請求項1に記載の圧縮機において、
前記ピストンは、
前記コンロッドに対してネジで締結され、
複数本の前記ネジが、前記コンロッドの揺動方向に配置されたことを特徴とする圧縮機。
【請求項9】
請求項1に記載の圧縮機において、
前記ピストンは、
前記コンロッドに対してネジで締結され、
前記ネジの最外径は、
前記シリンダの内径の1/10以下の直径であることを特徴とする圧縮機。
【請求項10】
請求項1に記載の圧縮機において、
前記ピストンは、
その一部分または全体がアルミニウムで構成され、運転時に外周面が油による潤滑がなされることを特徴とする圧縮機。
【請求項11】
請求項1に記載の圧縮機において、
前記ピストンは、
前記外周面に環状溝を有し、前記環状溝内に圧縮ガスをシールするためのピストンリングを有することを特徴とする圧縮機。
【請求項12】
請求項11に記載の圧縮機において、
前記曲面は球面であり、
前記球面の中心点を、
前記環状溝の上下端面を延長した平面間に配置することを特徴とする圧縮機。
【請求項13】
請求項11に記載の圧縮機において、
前記曲面は球面であり、
前記球面の中心点を、
前記環状溝のクランクケース側の面を延長した平面上に配置することを特徴とする圧縮機。
【請求項14】
請求項1に記載の圧縮機において、
前記曲面は、ほぼ真球の面であることを特徴とする圧縮機。
【請求項15】
請求項1に記載の圧縮機において、
前記曲面は、前記シリンダの直径より小さい直径の球の表面形状であることを特徴とする圧縮機。
【請求項16】
請求項1に記載の圧縮機において、
前記曲面は、前記シリンダの内径中心軸を通る前記クランクシャフトの回転軸方向の断面がほぼ卵型であることを特徴とする圧縮機。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、圧縮機に関する。
続きを表示(約 4,900 文字)【背景技術】
【0002】
従来、流体を圧縮する往復動圧縮機においては、コンロッドの圧縮室側端部に軸受が設けられ、その軸受で以って首振り可能に支持されたピストンを有する通常ピストン方式と、コンロッドの圧縮室側に軸受を持たず、コンロッドと一体になったピストンに、弾性的に変形し圧縮流体をシールするシールリングを有する揺動ピストン方式とがある。
【0003】
後者の揺動ピストン方式は、通常ピストン方式と比較して、軸受やピストンピンを持たない分だけ構造が簡素であり、軸受温度による設計的な制限がないことや、往復運動をする質量を低減可能であることといった多数のメリットを持つ。
【0004】
しかし一方で、クランクシャフトが一回転する間にコンロッドが傾く角度(揺動角)の範囲が大きくなる、もしくはシリンダ内径が大きくなると、後述するシールリングの偏摩耗や破損、シール性能低下などの問題を生じる。このため揺動ピストン方式は、一般にピストンストロークが比較的短く、揺動角が小さい小型往復動圧縮機のみでしか製品の実装がなされていない。
【0005】
往復動圧縮機に関しては特許文献1に示されるように、リップの周方向形状を工夫することで偏荷重の影響を軽減する技術がある。また、特許文献2では、圧縮室のシールを行うピストンリングとは別に、ピストンの往復運動と揺動運動の双方に対するガイドとしてライナーを設けることで、ピストンリング自身が揺動慣性力を受けることを回避する構造が示されている。この構造は、ライナー自体がシリンダ内周面に接することが可能であるため、主軸方向シリンダギャップを埋めることが可能で、組み立て時においても両者をある程度調芯する機能がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
特開2017−110608
特開2015−132267
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献1では、リップの周方向形状が複雑な形状となる。そのため製造初期投資が非常に高価になってしまう。さらに、リップ部に変形を与えることでリング自体のシール性能を悪化させるといった別な問題が生じる。また、シリンダ内を揺動しながら往復動する際に、リップ部が繰り返しの折り曲げ変形を受け疲労破損することへの対策は配慮されていない。
【0008】
特許文献2の構造は、その図11に示されるように、ピストンリングリング39の下側に切り欠きがあり、ピストンリングの支持が十分ではない。そのため、揺動角が大きくなると、やはりピストンリングの落ち込み変形が生じてしまう。また、ピストンリングの角が突き出た形状となっているのでシリンダと干渉する問題がある。
【0009】
また、ピストンリングは剛性が高いため、揺動時のシリンダ内壁面に対する追従性がリップリングより悪く、揺動角が大きくなるとシール性能が大幅に低下するという問題がある。
【0010】
以上の内容をまとめると、従来の揺動ピストン方式において、シールリングのシール性能と強度の問題はトレードオフの関係にあり、両立が困難である。また、ピストンリングを使用する場合では、ピストン-シリンダの隙間(主軸方向・揺動方向シリンダギャップ)に対するピストンリングの落ち込み変形と、ピストン-シリンダの干渉の問題も同様のトレードオフの関係にある。
【0011】
本発明の目的は、揺動角の増加にともなうシールリングの変形や破損、シール性能悪化を防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明の好ましい一例は、シリンダ内を往復動するピストンと、前記シリンダの端部を閉鎖するバルブプレートと、前記ピストンを支持するコンロッドと、前記コンロッドの端部に回転力を与えるクランクシャフトと、前記クランクシャフトを回転可能に支持するクランクケースを有し、
前記ピストンは、前記クランクシャフトの回転に応じて前記シリンダ内を揺動しながら往復動する揺動ピストンであって、
前記ピストンの外周面は、曲面である、圧縮機である。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、揺動角の増加にともなうシールリングの変形や破損、シール性能悪化を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
実施例1における圧縮機全体の構成例を示す図である。
実施例1における圧縮機本体の内部構成を示す図である。
リップリングを用いた揺動ピストン構造を示す図である。
ピストンリングを用いた揺動ピストン構造を示す図である。
実施例1におけるピストンリングを用いた揺動ピストン構造を示す図である。
実施例1における揺動ピストン構造を示す図である。
実施例1における圧縮機本体の内部構成(上死点の状態)示す図である。
実施例3におけるピストンの固定方法を示す図である。
実施例3の変形例におけるピストンの固定方法を示す図である。
実施例4におけるピストンの外周面の第1の例を説明する図である。
実施例4におけるピストンの外周面の第2の例を説明する図である。
実施例4におけるピストンの外周面の第3の例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【実施例】
【0016】
図1は、実施例1における圧縮機の概略図を示す。また、図2は、図1における圧縮機本体1の内部構造を示す。
【0017】
図1に示す圧縮機は、圧縮機本体1と、それを駆動する電動機2と、圧縮機本体1が吐出す流体を貯留するためのタンク3からなっている。圧縮機本体1は流体を圧縮するものであり、その内部構造は図2に示すように、クランクケース21と、クランクケース21から鉛直方向に突出するひとつのシリンダ22と、このシリンダ22の端部(上部の端部)を閉鎖するバルブプレート26と、シリンダヘッド23と、クランクシャフト24を回転可能に、中央において支持するクランクケース21を有している。
【0018】
圧縮機本体1は、クランクケース21内のクランクシャフト24が回転することで、コンロッド32の端部に回転力を与え、シリンダ22内に設置されたピストン33が鉛直方向に往復動し、その結果としてシリンダ外部から流体を吸引し圧縮して吐出する。
【0019】
なお、図1および図2では説明の簡略化のため、圧縮機形状はピストン・シリンダを1対しか持たない1気筒1段圧縮機としているが、クランクシャフトに対して直列あるいは放射状に複数のピストン・シリンダを有する圧縮機であってもよい。
【0020】
圧縮機本体1は、クランクシャフト24を電動機2の回転軸と平行に配置した状態でタンク3上に配置して固定されており、クランクシャフト24には圧縮機プーリ4が、電動機軸には電動機プーリ5が固定されている。圧縮機本体1に付設された圧縮機プーリ4は羽根を有しており、その回転にともない冷却風を圧縮機本体1に向けて発生させることで、圧縮機本体1の放熱を促す。
【0021】
圧縮機プーリ4および電動機プーリ5には、圧縮機プーリ4および電動機プーリ5の間で動力伝達するための伝動ベルト6が巻回されている。これにより、電動機2の回転にしたがって、電動機プーリ5、伝動ベルト6および圧縮機プーリ4を介して圧縮機本体1のクランクシャフト24が回転駆動されて、圧縮機本体1が流体を圧縮する。
【0022】
なお、図1では説明の簡略化のため、圧縮機本体1は電動機2と伝動ベルト6を介して接続された構成としているが、圧縮機本体1のクランクシャフト24と電動機2の回転軸をカップリングなどの結合手段を用いて直接に接合することで、両者を一体化した圧縮機であってもよい。
【0023】
図2におけるピストン周辺構造について説明する。図2のピストン33は、ピストンがコンロッド32と一体で構成された揺動ピストン方式である。この方式では、クランクシャフト24の回転にともない、ピストン33がシリンダ22内を揺動しながら往復動する。
【0024】
この揺動ピストン方式には、主なシールリング構造として図3Aに示すようにシリンダの内周面22aに接するリップリング36をピストン33が備えている場合と、図3Bに示すようにシリンダの内周面22aに接するピストンリング37をピストン33が備える場合がある。
【0025】
ここで、図3Bの下の図のA−A断面を、図3Bの上の図に示している。揺動方向シリンダギャップ38と主軸方向のシリンダギャッップ39a、39bがピストン33とシリンダ内周面22aとの間に生じる。ここで主軸方向のシリンダギャッップは、クランクシャフト方向のピストン-シリンダ間の隙間をいう。また、揺動方向シリンダギャップはピストン揺動方向のピストン-シリンダ間の隙間をいう。
【0026】
シリンダ内周面に対する中心軸のずれは、特に主軸方向シリンダギャップを増大させるため、圧縮時のガス荷重を受けたピストンリングがその隙間に落ち込む変形を生じるという別な問題が生じることが知られている。
【0027】
またこのシリンダ内周面に対する中心軸のずれの影響とは別に、揺動方向シリンダギャップは、ピストンの揺動角によっても大きく増減し、同様の問題をもたらす。これらの隙間を狭めるためには、ピストンリングが嵌合されるリング溝下面の外径を大きくすることが不可欠であるが、当然ながら大き過ぎるとシリンダとの干渉が発生するため、限界がある。本実施例は、これらの問題を解決する。
【0028】
各々のシールリング方式において、揺動角が大きくなるにともない以下のような問題が生じる。
【0029】
<リップリング>
(A)リップ部分36aがシリンダ内周面22aに接する際の繰り返しの折り曲げ応力が増加し、R部根元近辺に疲労破損を生じる。
(B)ピストンをシリンダ22に挿入し、クランクケース21に固定する際、リップリング36とシリンダ内周面22aの中心軸がずれると、リップリングがシリンダ内周面に対して押し付け荷重を受けた状態で固定され、運転時間の経過とともに偏摩耗を生じる。
【0030】
<ピストンリング>
(C)リップリング36のようにピストン33のガイドをする部品がないため、ピストン33の上下端角部がシリンダ内周面22aに干渉する危険性が生じる。干渉を回避するために下端角部に逃げを設けると、ガス荷重を受けたピストンリング37を支えるリング溝下面の面積が減少するため、揺動方向シリンダギャップ38が拡大しピストンリングがその隙間に落ち込む変形を生じる.
(D)シリンダ22をクランクケース21に固定する際、ピストン33とシリンダ22の中心軸のずれが原因で生じる主軸方向シリンダギャップ39a,39bや、単純に揺動角が増加したときに生じる揺動方向シリンダギャップ38に対し、ピストンリングが落ち込む変形を生じる。
(E)リップリングと比べ肉厚で剛性が高いため、揺動時のシリンダ内周面22aに対する追従性が悪く、シール性能が低下しブローバイ損失が増加する。
(【0031】以降は省略されています)

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